Intuicja za bramą Hadamard


10

Próbuję nauczyć się o obliczeniach kwantowych i mam przyzwoite rozumienie algebry liniowej.

Przeszedłem przez bramę NIE, co nie było takie złe, ale potem dotarłem do bramy Hadamard. I utknąłem. Głównie dlatego, że chociaż „rozumiem” manipulacje, nie rozumiem, co naprawdę robią ani dlaczego chcesz je robić, jeśli ma to sens.

Na przykład, gdy brama Hadamarda przyjmuje , daje . Co to znaczy? Dla bramki NOT przyjmuje i daje . Nie ma w tym nic niejasnego; daje „przeciwieństwo” bitu (dla superpozycji przyjmuje i daje ) i rozumiem, dlaczego to jest przydatne; z tych samych powodów (zasadniczo), że jest przydatny w klasycznym komputerze. Ale co (na przykład) brama Hadamarda robi geometrycznie z wektorem ? I dlaczego to jest przydatne?|0|0+|12|0|1beta | 0 + a- | 1 [ a- beta ]α|0+β|1β|0+α|1[αβ]

Odpowiedzi:


10

Brama Hadamarda może być twoim pierwszym spotkaniem z tworzeniem superpozycji . Kiedy mówisz, że możesz powiązać użyteczność bramki Pauli (aka ) z jej klasycznym odpowiednikiem - cóż, Hadamard jest dokładnie tam, gdzie opuszczasz królestwo klasycznego analogu. Jest to przydatne do dokładnie tego samego powodu, jednakże, a mianowicie, że jest często używany do utworzenia uniwersalnego zestawu bram (jak clasical z i fan-out, lub z fan-out w spokoju).XNOTANDNOTNOR

Chociaż pojedyncza bramka jest nieco przydatna w generowaniu liczb losowych (jak powiedział Yuval Filmus), jej prawdziwa moc pokazuje się, gdy pojawia się w większej liczbie przypadków lub w połączeniu z innymi bramkami. Jeśli na przykład masz kubitów zainicjowanych w i zastosujesz po jednym do każdego z nich w dowolnej kolejności, otrzymasz które można rozwinąć do , teraz możemy oceniać funkcje naHn|0H

(|0+|1)(|0+|1)(|0+|1)/2n/2
1/2n/2(|0000+|0001+|0011++|1111)
2nróżne wejścia równolegle! Jest to na przykład pierwszy krok w algorytmie Grovera .

Innym popularnym zastosowaniem jest Hadamard na jednym kubicie, a następnie CNOTkontrolowany z kubitem, który właśnie umieściłeś w superpozycji. Patrz: To stan Bella, który jest podstawą różnych protokołów dystrybucji klucza kwantowego , obliczeń opartych na pomiarach , teleportacji kwantowej i wielu innych aplikacji . Możesz także użyć wielokrotnie inicjowanych zerowych kubitów docelowych (z tym samym sterowaniem), aby utworzyć co jest znane jako GHZ stan

CNOT(21/2(|0+|1)|0)=21/2CNOT(|00+|10)=21/2(|00+|11)
CNOT
21/2(|0000+|1111)
, również niezwykle przydatne.

Last but not least, jest to całkiem przydatna podstawowa transformacja, która jest odwracalna. Kolejna brama Hadamarda w pewnym sensie cofa to, co zrobiła poprzednia aplikacja ( ). Możesz eksperymentować wokół tego, co się stanie, jeśli użyjesz go do „kanapkowania” innych operacji, na przykład umieść jedną na docelowym kubicie bramki, a drugą po niej. Lub na obu kubitach (łącznie 4 Hadamardy). Wypróbuj sam, a na pewno dowiesz się dużo o obliczeniach kwantowych!H2=ICNOT


Odnośnie „co brama Hadamarda robi geometrycznie z wektorem”: przeczytaj na sferze Blocha , usłyszysz o tym wszędzie. W tej reprezentacji brama Hadamarda wykonuje obrót o 180 ° wokół pewnej pochyłej osi. W Pauli bramy ( NOTjako jeden z trzech) również do 180 °, ale tylko o obrotów lub lub . Ponieważ takie operacje geometryczne są dość ograniczone, same bramy naprawdę niewiele mogą zrobić. (Rzeczywiście, jeśli ograniczysz się do tych i axyzCNOTw swoim komputerze kwantowym budujesz po prostu bardzo drogie i nieefektywne klasyczne urządzenie.) Obracanie się wokół czegoś przechylonego jest ważne, a jednym dodatkowym składnikiem, którego zwykle potrzebujesz, jest również obracanie o mniejszy ułamek kąta, na przykład 45 ° (jak w fazie brama przesuwna ).


9

Brama Hadamarda działa na jednym kubicie. Stan pojedynczego kubita można opisać jako , gdzie . Jeśli zmierzysz kubit, wynikiem jest z prawdopodobieństwem i z prawdopodobieństwem . Z perspektywy liniowo-algebraicznej stan kubita jest po prostu wektorem normy jednostkowej o długości dwa ponad liczbami zespolonymi. Dwa wektory obejmują przestrzeń wektorową o wymiarze drugim (ponad liczbami zespolonymi), a każdy wektor normy jednostkowej w tej przestrzeni wektorowej może być stanem kubita .α|0+β|1|α|2+|β|2=10|α|21|β|2|0,|1

Ponieważ stan zawsze ma normę jednostkową, jedynymi możliwymi operatorami liniowymi w kubitach są te, które zachowują normy. Z algebry liniowej wiemy, że są to dokładnie operatory hermitowskie. Aby opisać operatora, wystarczy opisać jego działanie na podstawie. Na przykład wartość twojego operatora na wektorze is .| 0 + | 1 |0|0+|12

Według Wikipedii brama Hadamarda służy do „losowego wprowadzania danych”. Po zastosowaniu do stałego kubita (tj. , lub ich obrót o liczbę zespoloną według normy jednostkowej), brama Hadamarda tworzy kubit „jednolicie losowy” , który po zmierzeniu zachowuje się jak rzetelny rzut monetą. Tego rodzaju zachowanie chcemy, gdy „próbujemy wszystkich możliwości równolegle”.| 1 |0|1

Sugeruję kontynuowanie czytania na temat obliczeń kwantowych; kiedy przejdziesz do algorytmów kwantowych (takich jak Grovera i Shora), zrozumiesz, do czego przydają się te wszystkie bramy kwantowe.


3
„wektor normy jednostkowej długości dwa” był dla mnie mylący, ponieważ jestem przyzwyczajony do używania norm i długości zamiennie.
adrianN
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.